李尚濱等

摘 要：研究面向實時體育教學活動，運用物聯(lián)網(wǎng)技術、無線網(wǎng)絡技術，結合傳統(tǒng)校園網(wǎng)及IT信息技術手段，提出一種新型、動態(tài)、開放的體育網(wǎng)絡教學平臺設計，對該設計原始教學活動數(shù)據(jù)采集、分析、建模、挖掘、展示、反饋、自我完善等方面進行闡述，同時對模型的實現(xiàn)技術進行了探討，并對平臺與排球體育教學的結合進行了實驗設計，實驗顯示通過平臺仿真，較好促進了學生對傳球、墊球、發(fā)球等基本技術的理解、掌握和運用。

關 鍵 詞：學校體育；體育教學平臺；物聯(lián)網(wǎng)；移動平臺；校園網(wǎng)

中圖分類號：G807.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-7116（2015）01-0090-05

Physical education teaching platform design based on the Internet of Things

LI Shang-bin1，WANG De-cai2，LIU Ying-shuang1，ZHAO Pei-yu1

（1.Department of Physical Education，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；

2.Network Information Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Abstract： By applying Internet of Things technology， wireless network technology， coupled with traditional campus network and IT information technical means， the authors put forward a new， dynamic， open physical education network teaching platform design for real time physical education teaching activities. The authors expatiated on this design from such aspects as original teaching activity data collection， analysis， modeling， mining， display， feedback and self-perfection， probed into model realizing technologies， and worked out an experimental design for combing the platform with volleyball teaching. The experiment showed that students understanding， mastering and applying of basic techniques such as ball passing， ball receiving and ball serving were nicely promoted by means of platform simulation.

Key words： school physical education；physical education platform；Internet of Things；mobile platform；campus network

為改進高校的體育教學輔助平臺的教學模式，運用物聯(lián)網(wǎng)技術、無線平臺技術，基于原有校園網(wǎng)絡，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和移動平臺技術，構建高校體育新型教學輔助信息化平臺的思路，為實現(xiàn)運用先進信息化手段輔助體育教學提供了一種新的嘗試。

以前大多數(shù)體育網(wǎng)絡教學平臺多是靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、靜態(tài)資源方式搭建，基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的體育網(wǎng)絡教學平臺是直接面向實際課堂教學、進行課堂實時數(shù)據(jù)的采集和存儲，這對原來的信息化輔助教學模式在數(shù)據(jù)采集方面是一種新的變化。

基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術，遙感技術可以把教學活動中的學生或教師轉變成“活點”，這樣就相當于把運動的過程用數(shù)字化的方式存儲起來，為將來模擬、分析、建模進行數(shù)據(jù)準備，這就為再現(xiàn)實際的教學活動模式奠定了數(shù)據(jù)基礎，這種模式的轉變相對于原來的教學模式是一種新轉變。

動態(tài)的自我反饋完善體系，使用教學理論的數(shù)據(jù)進行理論建模，將得到理論教學參照模型，使用實時的體育課堂教學活動采集到的動態(tài)數(shù)據(jù)建模，將會得出實際的體育教學模型，再將兩種模型對比，將得出理論和實際模型的差異，依據(jù)差異可以分析問題、指導完善教學活動，從而不斷自我反饋、迭代、完善，這樣會形成理論模型和實際模型的動態(tài)互動和反饋優(yōu)化，這種動態(tài)模型的數(shù)據(jù)源是物聯(lián)網(wǎng)采集的，這也是物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)建模仿真的重要意義。

源于實際教學活動，評估實際教學活動、改進實際教學活動，有理論模型、有實際動態(tài)的模型，就能夠根據(jù)實際制定科學、合理的評估評價指標體系，用于指導、評估每個課堂的教學活動，甚至細致到每個學生的學習活動，切實的把握教學活動中重要的指標數(shù)據(jù)，用實際的數(shù)據(jù)說話，依據(jù)實際的數(shù)據(jù)制定改進計劃，對切實指導每個學生、每個教學活動有著很大的輔助作用。

所以，將現(xiàn)階段的先進IT技術，如物聯(lián)網(wǎng)技術、移動終端技術、IT信息化手段和傳統(tǒng)體育教學平臺結合起來，設計構建新的體育教學平臺有著積極的現(xiàn)實意義。

1 原有體育信息化平臺與物聯(lián)網(wǎng)及移動平臺技術比較

1.1 原有體育信息化教學平臺

原有的體育網(wǎng)絡教學輔助平臺，多數(shù)是基于Web服務站點的方式組織，多以教學錄像視頻的方式和HTML形式展現(xiàn)，實現(xiàn)技術則多以后臺數(shù)據(jù)庫和教學資源為基礎，以某種Web開發(fā)技術研發(fā)實現(xiàn)[1]。

之前搭建的體育教學平臺，由于是以靜態(tài)資源為主，HTML的Web站定方式展現(xiàn)，所以與實際課堂教學活動關聯(lián)不緊密。因此，之前的大多體育教學平臺僅是課堂教學的補充，但對于實際體育課堂教學活動的實時、真實原始數(shù)據(jù)沒有進行采集，更沒有運用IT信息技術進行挖掘分析和仿真建模來檢驗和完善實際的教學活動。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)及移動平臺技術的發(fā)展及帶來的契機

國際電信聯(lián)盟（ITU）和《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》正式論述了物聯(lián)網(wǎng)的概念。報告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將到來，世界上所有的物體從輪胎到牙刷 、從房屋到紙巾，都可以物聯(lián)網(wǎng)進行主動信息交換[2]。

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IOT），顧名思義，是物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)絡，其內涵包括兩個方面，第一，物聯(lián)網(wǎng)的基礎和核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡；第二，其用戶延伸到了任何物體和物體之間，使其進行信息交換和通信[3-6]。

體育教學活動的特點是動態(tài)性、實踐性，結合物聯(lián)網(wǎng)傳感器遙感技術和“活點”技術及當前信息化的IT技術，對大學體育課堂教學活動進行計算機輔助實現(xiàn)，構建新型的體育信息化教學平臺[7]，使得教學活動中的主體變成“活點”，并對整個運動過程進行數(shù)據(jù)采集、存儲和監(jiān)控，也是物聯(lián)網(wǎng)技術在這一領域應用的體現(xiàn)，這一設計構想的提出，對大學體育教學利用計算機技術輔助教學有著一定的現(xiàn)實意義。

體育教學活動本身運動的特點，整體有一定內在規(guī)律性，利用物聯(lián)網(wǎng)、移動終端及相關信息化手段，將體育教學活動中的主體（活點）運動數(shù)字化、運動規(guī)律模型化，使實際教學動態(tài)數(shù)據(jù)轉化為計算機動態(tài)的數(shù)據(jù)，這對于提高體育教學的質量，與以往相對靜態(tài)的計算機輔助教學是質的變化。

2 體育信息化教學平臺設計

教育技術是通過創(chuàng)造、使用和管理合適的技術過程和資源以促進學習和改進績效的研究和符合道德規(guī)范的實踐[8]。隨著IT技術不斷進步和教學理念的不斷變化，我們在體育教學信息化教學平臺方向的努力和實踐使得我們的教學理念和IT技術結合得更加緊密，使之向著更加有效的促進學習和管理的方向前進，我們的設計在教育技術的指導下，圍繞體育教學平臺內在特點及需求，結合不同方面IT技術，構建分層的平臺模型。包括傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、移動終端技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、建模仿真技術、數(shù)據(jù)庫技術、應用開發(fā)技術等，下面從技術路線和平臺模型兩個方面加以論述。

2.1 體育信息化教學平臺技術路線

1）傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡及原來的校園網(wǎng)絡，作為采集后的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡，與原來教學平臺的作用是一致的，是連接物聯(lián)網(wǎng)層和數(shù)據(jù)中心的樞紐，亦是提供服務的基礎環(huán)境。

2）物聯(lián)網(wǎng)技術。

物聯(lián)網(wǎng)層是平臺數(shù)據(jù)采集動態(tài)性特征的體現(xiàn)，主要是運用終端傳感器技術對體育活動的各項指標數(shù)據(jù)進行采集，如田徑競賽項目中時間與隊員的位置、起跑的壓力、跑進中的姿勢照片等；還如排球比賽中的雙方球員的位置、球的速度及路線等。理論上只要配備相應指標的采集傳感器，就能采集到所需要的數(shù)據(jù)。然后再通過無線網(wǎng)絡，無線網(wǎng)關經過校園網(wǎng)絡傳送至后臺數(shù)據(jù)中心。

3）移動終端技術。

移動終端技術，例如目前流行的Android平臺，可以開發(fā)平臺和教學活動中的個體，如教師和學生之間的動態(tài)實時交互應用，可以起到狀態(tài)監(jiān)控的指導作用，如在長跑運動中，經過一段時間向參與者通報其所在的名次、達到的速度、心跳次數(shù)、血壓和教師的指導等，總之通過Android平臺和無線校園網(wǎng)絡，為整個平臺的實時交互提供技術實現(xiàn)的可能。

4）數(shù)據(jù)挖掘技術。

隨著在實際體育教學活動中采錄積累數(shù)據(jù)的不斷增多，為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘提供了數(shù)據(jù)基礎，利用數(shù)據(jù)倉庫技術、數(shù)據(jù)挖掘手段，對大量的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，例如，把學生每年度的體質測試數(shù)據(jù)進行分析比對，建立健康檔案并實時提供運動處方。這對于引導學生自主開展體育鍛煉，把握體育教學活動的某些規(guī)律有著重要的指導意義。數(shù)據(jù)挖掘中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，對于體育教學模型的建立和完善也是有著重要的借鑒意義。

5）建模仿真技術。

建模仿真技術是利用采集到的數(shù)據(jù)和理論的數(shù)據(jù)，通過建模仿真軟件對體育教學活動建立計算機實現(xiàn)的仿真模型，采用直觀、可視化的手段，使得仿真模型與實際模型建立直觀的一致性，使用實際的數(shù)據(jù)可以驅動的模型，目的是能夠反映出實際體育教學活動的真實情況并能夠為教學活動的參與者直觀認知和理解。這樣作為體育教學活動的主體即參與者才能從主體的角度總結和提出問題，并制定修正的方法，可以說仿真模型是以數(shù)據(jù)驅動的真實體育教學活動的計算機還原，是一座鏈接平臺和參與者的橋梁。

6）數(shù)據(jù)庫技術。

數(shù)據(jù)庫技術是相對已經成熟的技術，實現(xiàn)整個平臺的數(shù)據(jù)存儲任務，亦是數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)倉庫的承載著，起到底層支撐的作用，也為網(wǎng)絡前臺、移動終端前臺的展示提供數(shù)據(jù)支持。

7）結合體育教學需求進行應用開發(fā)。

如果說上面的平臺相關各項技術多是依賴現(xiàn)有的IT技術和產品，這部分的應用開發(fā)技術則是偏向研發(fā)，需要根據(jù)大學實際體育教學活動的需求，依托上面設計的各項技術，分析需求、設計各個環(huán)節(jié)的技術實現(xiàn)思路，最后運用現(xiàn)有的IT技術，如JAVA、.net等開發(fā)技術，開發(fā)出整個平臺，這部分相當于整個平臺的具體實現(xiàn)，整個連接上面各項技術。也是平臺提供服務的具體實現(xiàn)，是整個平臺的核心。

物聯(lián)網(wǎng)技術和移動終端技術對應體育教學活動中的“活點”，是運動的原始采集層，網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫是“活點”數(shù)據(jù)的存儲載體，建模仿真技術是體育教學活動規(guī)律的再現(xiàn)，數(shù)據(jù)挖掘技術是對大量數(shù)據(jù)宏觀特征的展現(xiàn)，總之需要將IT技術和體育教學需求緊密結合，才能設計出先進的教學平臺。

2.2 平臺模型總體設計架構

1）總體的層次結構。

平臺以體育教學活動為驅動，通過物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡采集實時、實際的教學活動數(shù)據(jù)；通過校園網(wǎng)絡傳到數(shù)據(jù)中心，再以這些采集到的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，進行建模和數(shù)據(jù)挖掘以及應用展示。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡及原來的校園網(wǎng)絡，作為采集后的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡，與原來教學平臺的作用是一致的，是連接物聯(lián)網(wǎng)層和數(shù)據(jù)中心的樞紐，亦是提供服務的基礎環(huán)境（見圖1）。

圖1 平臺整體層次架構示意圖

2）平臺模型解讀。

（1）依托實際教學活動。實際的體育教學活動是驅動終端物聯(lián)網(wǎng)層的源動力，在實際設計實現(xiàn)時要根據(jù)具體的體育教學課程的不同，實際使用不同的傳感器進行采集。

（2）物聯(lián)網(wǎng)絡實現(xiàn)教學活動原始數(shù)據(jù)采集（如時間、位置、壓力、畫面、環(huán)境信息等關鍵數(shù)據(jù)）。物聯(lián)網(wǎng)絡是體育活動原始數(shù)據(jù)采集的承載，因采集的原始數(shù)據(jù)不同而不同，類似于神經系統(tǒng)的末梢神經元一樣，不同的神經元負責不同的條件反射，物聯(lián)網(wǎng)層整體構成體育教學環(huán)節(jié)的采集層。

（3）無線網(wǎng)絡和傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡完成采集數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)中心。無線網(wǎng)絡和校園網(wǎng)絡層負責將采集到的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，也是下傳控制信息的傳輸網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)中心負責存儲教學活動中的原始數(shù)據(jù)，是開發(fā)構建應用系統(tǒng)的基礎，是數(shù)據(jù)倉庫的載體，這個層次是整個系統(tǒng)的核心之一，是其上的應用層、體育活動建模和數(shù)據(jù)挖掘的基礎。在實際實現(xiàn)方面，是可以采用目前主流的數(shù)據(jù)庫平臺實現(xiàn)，如Oracle、DB2、Sybase、Mysql、Sqlserver等。

（4）應用層。應用系統(tǒng)可以圍繞以下方面進行，Web應用、數(shù)據(jù)挖掘、檢查管理輔助等?；跀?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫，可以構建Web信息系統(tǒng)，如信息查詢、成績查詢、基本信息查詢等，這部分可以融入原來的體育教學平臺實現(xiàn)。教學活動建模分析采集到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，是實際體育教學活動原始要素數(shù)據(jù)的采樣，可以根據(jù)實際的體育教學相關理論，通過計算機仿真手段，建立相應的領域模型。如針對一次足球教學活動的建模實現(xiàn)，可以依照以下思路進行，假設在體育教學活動中采集了雙方隊員的時間及位置序列的原始數(shù)據(jù)，那么通過計算機可建立類似動畫回放效果的模型，通過模型可以回放教學活動中每位球員在場地上的位置變化動畫，通過模型可以判斷足球教學中學生的運動軌跡，評價學生的成績，發(fā)現(xiàn)存在的問題，有助于老師有針對性的指導學生和改進教學活動。數(shù)據(jù)挖掘的應用主要針對一些整體的、趨勢的、潛在的規(guī)律進行模式分析，如學生在校4年的體質健康趨勢、各個不同學期學生體育教學活動的比較分析，需要海量數(shù)據(jù) ，需要深入分析各個因素的潛在關系，在數(shù)據(jù)倉庫的基礎上，建立數(shù)據(jù)挖掘模型，反復反饋、修正，對實際的教學中一些長期、關鍵決策起到一定的輔助作用。檢查、管理應用，這個層面的應用主要用于人為參與較多環(huán)節(jié)，如領導不可能同時參加很多現(xiàn)場體育教學活動，可以通過數(shù)據(jù)及模型，查閱不同體育教學活動的原始狀況，對具體的體育教學活動進行檢查和指導。依據(jù)原始的數(shù)據(jù)對評估實際教學水平有一定的現(xiàn)實作用，可以避免傳統(tǒng)問卷等方式有可能獲取不真實數(shù)據(jù)的情況。

（5）基于物聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡的教學平臺，立足全面整體的原始數(shù)據(jù)采集，把教學活動的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)有機的聯(lián)系起來，原來的系統(tǒng)相對只是靜態(tài)的數(shù)據(jù)，如學生、教師、課程等，而新型的系統(tǒng)不僅有原來意義上的靜態(tài)數(shù)據(jù)，而且注重體育教學活動的動態(tài)數(shù)據(jù)。這對體育教學的輔助作用在數(shù)據(jù)層面上也是很有現(xiàn)實意義的。個性化、細致的教學指導制定，由于整個平臺的數(shù)據(jù)是靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)組成的完整數(shù)據(jù)，因此可以細粒度到學生的體育教學活動的每一個環(huán)節(jié)，對于個性化的、細致的掌握每個學生的體育教學活動狀況，提供了數(shù)據(jù)基礎。也為制定針對每個學生的個性化教學指導提供了原始的參照數(shù)據(jù)，在這樣的數(shù)據(jù)支撐下，制定細粒度的教學指導的科學性、針對性、準確性將大大提高，而且在某指導下的新的采集來的數(shù)據(jù)，又會反饋給系統(tǒng)，如此循環(huán)往復，形成一個自我完善的閉環(huán)系統(tǒng)。這個新型體育教學平臺擁有一個重要核心之一，就是他的自我完善、不斷修復的特性。

（6）移動平臺，實時交互、查詢。移動平臺的技術可以運用到一些在實際教學活動中需要交互的場景，如在長跑賽場匯報自身的情況及接收教師的指導等，可以利用無線網(wǎng)絡加3G手機作為硬件環(huán)境，基于其系統(tǒng)平臺開發(fā)類似原來大哥大通信方式，用以輔助教師在教學或比賽活動中，實時掌握學生的信息和下達指導。另外，隨著3G網(wǎng)絡和終端的普及，可以在移動平臺下開發(fā)一些查詢功能，比如學生可以隨時隨地查詢體育教學活動中的一些主要數(shù)據(jù)，給自己一個反饋、思考問題等，有助于了解自身的狀況，這也是依托整體的全面細粒度的數(shù)據(jù)而實現(xiàn)的。

3 平臺與排球課程教學實驗

3.1 實驗流程設計

教學內容：排球基本技術傳球、墊球、發(fā)球、扣球、攔網(wǎng)等5項技術。

教學時數(shù)：18教學周，共計36學時。

對照組：在教學過程中，主要是以老師講解、示范來幫助學生建立正確的技術動作概念。

實驗組：在對照組的基礎上，增加排球教學網(wǎng)站支持的在線自主學習，便于學生課前、課后自學。

物聯(lián)組：在實驗組的基礎上，通過體育場館觸摸屏增加教學實況播放、教學錄像回放以及教學仿真模擬的視頻播放。

3.2 各組考核成績評定分析

通過對物聯(lián)、實驗、對照3個組的成績進行方差分析，排球基本技術中傳球、墊球、發(fā)球技術評定成績出現(xiàn)了顯著性差異，平臺仿真組成績與對照組的差異達到了非常顯著性差異（P<0.01）。原因是排球課堂教學中，教師的語言講解和對基本技術的身體示范，只能滿足在一定程度上促進動作概念在頭腦中形成；而平臺仿真組是在教學過程中，運用視頻影像和多維動畫特技等多視角地模擬、演示排球技術各環(huán)節(jié)動作的時空特征，展示排球技術過程的具體空間方位與時序特征，可以促使學生形成清晰技術動作概念，建立正確的動作表象，較好促進了學生對傳球、墊球、發(fā)球基本技術的理解、掌握和運用。

在排球扣球、攔網(wǎng)技術評定中物聯(lián)組與對照組成績差異不具有顯著性（P>0.05）。究其原因是排球扣球、攔網(wǎng)技術是排球教學中較難掌握的技術，課堂教學時數(shù)不足以及大學生身體素質和運動能力的限制，掌握起來較困難，即使是利用平臺仿真輔助教學也同樣很難達到理想的教學效果。

平臺的建立和運用，使得體育教學這門本身就是理論與實踐結合性非常強的教學活動，通過信息化技術手段，使得兩者在教師與學生之間建立起良好的循環(huán)互動模式，相互支撐、相互提升。

4 結論

研究從以物聯(lián)網(wǎng)及IT信息技術結合的實際體育教學活動為基礎，提出全新的IT技術融合下的體育教學平臺框架，是集傳統(tǒng)網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動終端及各種IT技術的組合和創(chuàng)新。本平臺理論、技術上對原來的教學平臺是一定的突破和革新，同時也面臨著很多技術挑戰(zhàn)和難題，嘗試運用物聯(lián)網(wǎng)技術、無線技術、數(shù)據(jù)挖掘等IT技術在體育教學中提出了一種嘗試，具備實時的特性、自反饋完善的特性。

同時，在本平臺與體育教學活動相結合過程中，將在以下方面對原來的教學模式轉變和提升。

教學活動實時監(jiān)控方面，與以往的分散、分時監(jiān)控不同，基于平臺可以構建全局統(tǒng)一的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，有利于對“運動中的教學”進行全面實時了解，從而及時準確的對體育教學進行優(yōu)化和調整。教師教學質量評價方面，可以使用體育教學平臺采集的數(shù)據(jù)并建立模型，動態(tài)的構建全面、科學的體育教學質量考評體系，更準確了解教學質量。在交流共享方面，將通過平臺采集到的數(shù)據(jù)，實施建模、仿真，共享出來，使其網(wǎng)絡化，以便于促進體育課程的交流與學習。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術、無線網(wǎng)絡以及移動平臺技術，提出新的體育教學信息化輔助模式，對原有網(wǎng)絡教學模式是一種革新和突破，實現(xiàn)一種新型動態(tài)的面向實時教學活動的數(shù)字化采集、建模、評估、分析、展示的綜合性平臺系統(tǒng)。希望在未來隨著IT技術的不斷發(fā)展，這一信息化體育教學輔助平臺能夠實現(xiàn)，為輔助體育教學作出貢獻。

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